Os materiais pozolânicos são definidos como substâncias naturais ou produtos artificiais, silicosos ou sílico-aluminosos que, por si só, possuem pouca ou nenhuma propriedade aglomerante, mas quando são finamente divididos e em presença de água são capazes de se combinar à temperatura ambiente com o hidróxido de cálcio [Ca(OH)2] para
formar compostos semelhantes aos originados na hidratação dos constituintes do clínquer de cimento Portland (NELSON & GUILLOT, 2006).
De acordo com Metha & Monteiro (2001), as pozolanas são essencialmente constituídas de fases ativas de SiO2 e Al2O3, contendo também Fe2O3, uma proporção reativa
de CaO desprezível e outros óxidos. Porém, o conteúdo das fases ativas de SiO2 não deve ser
inferior a 25% em massa.
O hidróxido de cálcio liberado na hidratação dos silicatos de cálcio do cimento Portland, reage com a pozolana, presente em grande quantidade no cimento Portland pozolânico, dando origem a compostos hidratados estáveis (C-S-H – silicatos de cálcio hidratados) semelhantes aos formados na hidratação dos silicatos do clínquer. Porém, estes compostos hidratados têm menor relação CaO/SiO2, portanto, menos básicos e por esta razão
quimicamente mais estáveis aos meios agressivos (MASSAZZA, 2004).
De forma geral, a produção de materiais cimentícios formulados com aditivos minerais provoca alterações nas propriedades físicas e químicas em comparação com o cimento de referência (sem adição mineral). Dentre os principais efeitos físicos, destacam-se: o efeito de diluição do cimento, o efeito filler e a nucleação heterogênea.
A diluição do cimento é um efeito adverso proporcionado pela adição de uma parte do cimento pelo aditivo mineral. O aumento na quantidade de aditivo envolve uma diminuição na quantidade de cimento e, consequentemente, um aumento na proporção de água/cimento na mistura. Por sua vez, isto implica menos produtos formados pelas reações de hidratação ocasionando uma queda na força compressiva em comparação com o cimento de referência sem adição mineral (LAWRENCE et al, 2003).
O efeito filler é consequência da incorporação de aditivos minerais que proporcionam o refinamento da estrutura de poros e dos produtos de hidratação do cimento, causados pelas pequenas partículas do aditivo em comparação com o cimento Portland. Isto confere uma maior compacidade a mistura, produzindo um arranjo mais eficiente na interface agregado- pasta de cimento, reduzindo a segregação e aumentando a densidade e homogeneidade dessa zona de transição (MASSAZZA, 2004). Portanto, a incorporação de aditivos minerais na
composição de materiais cimentícios, leva a uma redução significativa na porosidade da matriz de cimento e, como consequência, uma diminuição da permeabilidade e uma melhoria considerável na resistência mecânica.
O efeito de nucleação heterogênea promovido pelos aditivos minerais conduz um aumento na velocidade de hidratação das partículas de cimento Portland, uma vez que as partículas finamente divididas adicionadas são facilmente acomodadas nos interstícios dos cristais de clínquer, promovendo aumento da superfície efetiva de contato e, consequentemente, aceleração das reações de hidratação dos compostos (CORDEIRO, 2006). Este comportamento origina uma maior quantidade de hidratos (C-S-H), resultantes da reação entre a cal livre e os componentes ativos do aditivo mineral, e proporciona um incremento da resistência mecânica.
Silveira (1996 apud SANTOS, 2006), afirma que as pozolanas são normalmente utilizadas de duas formas: como substituição parcial do cimento ou como adição em teores variáveis em relação a massa ou volume do cimento. Porém, independentemente de como a pozolana é utilizada, a reação pozolânica e os benefícios associados são os mesmos. Entretanto, deve-se considerar que cada material possui suas características próprias, o que proporciona resultados diferentes.
2.5.1 Reações pozolânicas
Para Massazza (1993), o termo "atividade pozolânica" abrange todas as reações que ocorrem entre os componentes ativos de pozolanas, hidróxido de cálcio e água. Esta definição, apesar de aproximada, é, contudo, aceitável do ponto de vista teórico e prático. Apesar das dificuldades em seguir a evolução de fases ativas da pozolana ao longo de todo o processo de hidratação, o progresso da reação pozolânica é comumente avaliado em termos de diminuição de hidróxido de cálcio livre no sistema. A atividade pozolânica abrange parâmetros importantes que se resumem à quantidade máxima de hidróxido de cálcio que pode se combinar com a pozolana e a taxa com que tal combinação se processa. Ambos os fatores dependem da natureza e, mais precisamente, da qualidade e quantidade das fases ativas presentes nas pozolanas.
De forma geral, a eficiência da atividade pozolânica, ou seja, a combinação [Ca(OH)2]/pozolana depende, essencialmente, dos seguintes fatores: a natureza das fases
relação de [Ca(OH)2]/pozolana na mistura. Enquanto que a taxa de combinação depende: da
superfície específica (BET) da pozolana; da razão água/sólido e; da temperatura do sistema. Segundo Metha & Monteriro (2001), a reação entre a pozolana e o hidróxido de cálcio produz basicamente os mesmos compostos que são formados na hidratação dos constituintes de clínquer de cimento Portland. As diferenças são pequenas e, em geral, afetam a quantidade e não a natureza das fases hidratadas. No que diz respeito à reação de formação de C-S-H principal, Metha & Monteriro (2001) realizaram um estudo com a finalidade de compreender as razões para as diferenças no comportamento entre as reações do cimento Portland e o cimento Portland pozolânico, resumidamente apresentados nas Equações 2.5 e 2.6.
Cimento Portland
� + � �çã �á � �→ � − − + � (2.5)
Cimento Portland Pozolânico
� � + � + � �çã � ��→ � − − (2.6)
Em comparação com a reação do cimento Portland, a reação pozolânica é lenta e, como consequência, tem as taxas de liberação de calor e de desenvolvimento de resistência mecânica adequadamente lentos. Em segundo lugar, a reação se desenvolve com o consumo de hidróxido de cálcio em vez de produzi-lo, o que tem uma influência positiva sobre a durabilidade das pastas hidratadas em ambientes ácidos. Em terceiro lugar, os estudos de distribuição de tamanho de poros do cimento Portland pozolânico hidratado mostram que os produtos da reação são muito eficientes no preenchimento dos espaços e na obstrução dos grandes poros capilares, proporcionando um refinamento do diâmetro dos poros, melhorando assim a resistência mecânica e diminuindo a permeabilidade do sistema.
De forma geral, as propriedades físicas e químicas do cimento pozolânico eventualmente afetam na engenharia do cimento Portland de referência. A resistência inicial de pastas e concretos diminui enquanto a resistência final é frequentemente encontrada para ultrapassar a do cimento Portland. Porém, se o cimento contiver uma pequena quantidade de pozolana muito ativa (sílica ativa, por exemplo), as resistências inicial e final podem ser superiores aos do cimento Portland de referência.
De acordo com os estudos realizados por Massazza (1993), as variações mais marcantes induzidas no comportamento do cimento Portland contendo pozolanas podem ser resumidas como segue:
A reação pozolânica não altera na hidratação do clínquer de cimento Portland; ela complementa e integra o processo de hidratação, porque isto resulta em um menor conteúdo de portlandita [Ca(OH)2] e um aumento na produção dos silicatos de cálcio
hidratados (C-S-H).
O calor de hidratação diminui enquanto que a taxa de hidratação do hidróxido de cálcio aumenta, a porosidade e a permeabilidade da pasta diminuem, o conteúdo de portlandita e a razão Ca/Si diminuem, o que resulta em uma maior formação de portlandita.
Guedert (1989, apud SANTOS, 2006), destaca ainda, outras vantagens da utilização de pozolanas em matérias cimentantes, como:
Melhor resistência ao ataque ácido em função da estabilização do hidróxido de cálcio oriundo da hidratação do clínquer Portland e à formação de um C-S-H com menor relação CaO/SiO2 de menor basicidade;
Maior durabilidade, contribuindo para a inibição da reação álcali-agregado e diminuição do diâmetro dos poros da pasta hidratada, reduzindo o ataque do material por substâncias externas como cloretos e sulfatos.
Além das vantagens físicas e químicas atribuídas a utilização de materiais pozolânicos na composição de pastas cimentícias, a adição de tal material integrado ao processo produtivo do cimento diminui consideravelmente a extração de matérias-primas e, com isso, a queima de materiais em fornos de altas temperaturas, reduzindo, dessa forma, a emissão de gases causadores do efeito estufa.
2.5.2 Classificação das pozolanas
De acordo com Massazza (1993), originalmente o termo "pozolana" se refere a um grupo de rochas piroclásticas, essencialmente vítreas e, por vezes zeolíticas, que ocorrem tanto na região de Pozzuoli ou em torno de Roma, na Itália. O segundo significado inclui todos aqueles materiais inorgânicos, seja ele natural ou artificial, que adquire propriedades cimentícias em água, quando misturado com hidróxido de cálcio ou com materiais que liberaram hidróxido de cálcio (clínquer de cimento Portland, por exemplo).
A NBR 12653 (ABNT, 1992) define as pozolanas naturais como substâncias de origem vulcânica, geralmente de caráter petrográfico ácido (65% de SiO2) ou de origem
sedimentar com atividade pozolânica. Já as pozolanas artificiais são definidas como materiais provenientes de tratamento térmico ou subprodutos industriais com atividade pozolânica, tais como, argilas calcinadas, cinzas volantes e outros materiais “não-tradicionais”, como escórias siderúrgicas ácidas, cinzas de resíduos vegetais, rejeito de carvão mineral, entre outros.
Ainda segundo a NBR 12653 (ABNT, 1992), os materiais pozolânicos são classificados em três classes, Classe N, Classe C e Classe E, conforme apresenta a Tabela 2.2. Essa classificação é em função da sua origem, requisitos químicos e físicos estabelecidos nesta mesma norma, apresentados na Tabela 2.3.
Tabela 2.2 – Classificação dos materiais pozolânicos conforme a NBR 12653 (ABNT, 1992).
Classes Materiais que atendem os requisitos
N
Pozolanas naturais e artificiais como certos materiais vulcânicos de caráter petrográfico ácido, “cherts” silicosos, terras
diatomáceas e argilas calcinadas
C Cinzas volantes provenientes da queima de carvão mineral E Qualquer pozolana cujos requisitos diferem das classes anteriores
Tabela 2.3 – Exigências químicas e físicas para classificação dos materiais pozolânicos conforme a NBR 12653 (ABNT, 1992).
Exigências Químicas Classes de Material Pozolânico
N C E SiO2 + Al2O3 + Fe2O3, % mín. 70 70 50 SO3, % máx. 4,0 4,0 5,0 Teor de umidade, % máx. 3,0 3,0 3,0 Perda ao fogo, % máx. 10,0 6,0 6,0 Álcalis disponíveis em Na2O, % máx. 1,5 1,5 1,5
Exigências Físicas Classes de Material Pozolânico
N C E
Material retido na peneira de 45 µm, % máx. 34 34 34 Índice de atividade pozolânica:
com cimento aos 28 dias, em relação
ao controle, % mín. 75 75 75
com o cal aos 7 dias, em MPa 6,0 6,0 6,0
água requerida, % máx. 115 110 110